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        砂柱試驗注水前初始有效應(yīng)力場的生成方式研究

        2022-05-25 13:30:44
        黑龍江水利科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:彈塑性砂土應(yīng)力場

        邢 勇

        (淮濱縣水利局,河南 淮濱 464400)

        0 引 言

        為了真實有效的實現(xiàn)對Liakopoulos砂柱試驗?zāi)P偷挠嬎隳M,在采用FLAC3D軟件進(jìn)行準(zhǔn)備時,每一步都應(yīng)盡可能地與真實試驗情況高度近似地對照起來。相關(guān)學(xué)者在應(yīng)用該有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時,也同樣注重各個環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)處理[1-5]。蔣中明等采用FLAC3D對極端久雨條件下的軟巖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究,過程中采用Geo-studio(seep)軟件的滲流計算結(jié)果導(dǎo)入FLAC3D軟件,作者正是認(rèn)識到了FLAC3D在模擬飽和-非飽和滲流場的不足,才采用另外一款在該方面有獨(dú)特優(yōu)勢的軟件的計算結(jié)果,作為初始孔壓場導(dǎo)入FLAC3D軟件中,再進(jìn)行后續(xù)的模擬計算[6]。謝強(qiáng)等深刻理解FLAC3D軟件在處理土中基質(zhì)吸力問題的缺陷后,應(yīng)用FISH程序進(jìn)行編程,開發(fā)出了一種能夠使用FLAC3D進(jìn)行飽和-非飽和問題求解的方法,為FLAC3D有限差分軟件的拓展使用開拓可一片新天地[7]。司憲志等D-PFC3D連續(xù)-非連續(xù)耦合的方法進(jìn)行泥石流地質(zhì)災(zāi)害的模擬[8]在明確了解了FLAC3D在處理顆粒類的非連續(xù)材料的局限性后,進(jìn)而采用PFC軟件與FLAC軟件結(jié)合進(jìn)行模擬計算,從而實現(xiàn)了顆粒材料的有效模擬[9]。陳聞瀟等詳細(xì)分析了FLAC3D軟件進(jìn)行計算時,不能模擬材料間發(fā)生分離破壞的情況,提出了一種FLAC3。馮文凱等專門針對FLAC3D不能生成飽和-非飽和滲流場的缺點,提出了一種用于在FLAC3D中生成飽和-非飽和滲流場的方法。文章作者在充分理解并熟練運(yùn)用了FLAC3D中的三種生成初始有效應(yīng)力場的方法后,針對在模擬Liakopoulos砂柱模型試驗的試驗準(zhǔn)備階段中砂柱中填滿砂土后初始有效應(yīng)力場的不同生成進(jìn)行了詳細(xì)分析比較,學(xué)者們可參考應(yīng)用其中的方法進(jìn)行初始有效應(yīng)力場的生成。

        1 FLAC3D計算準(zhǔn)備

        在準(zhǔn)備進(jìn)行Liakopoulos砂柱模型試驗時,有一個將Del Monto砂土填筑到聚四氟乙烯圓柱桶中的過程,填筑完成后一般要靜置24h以使砂土在自重作用下充分下沉固結(jié),這一過程與采用FLAC3D對砂柱進(jìn)行模擬時,在尚未設(shè)置孔隙水壓力具體分布條件下,初始有效應(yīng)力場的生成過程相似。與沒有設(shè)置初始有效應(yīng)力情況類似,在有設(shè)置了一定初始有效應(yīng)力時,采用拉格朗日快速差分技術(shù)的FLAC3D軟件同樣提供了三種生成初始有效應(yīng)力場的方法,這主要是:①在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力時,將砂柱中的砂土首先設(shè)置成彈性體,賦予其相應(yīng)的彈性本構(gòu)模型,再通過‘SOLVE’命令進(jìn)行求解獲得初始有效應(yīng)力場;②在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力情況下,將砂柱中的砂土設(shè)置成真實的摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型,但是分兩步求解,第一步應(yīng)用‘SOLVE’求解時,將模型材料參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值,求解至平衡態(tài),第二步應(yīng)用‘SOLVE’求解時,使用與砂土材料相一致的真實的材料彈塑性參數(shù),進(jìn)行彈塑性條件下的求解,至平衡狀態(tài),獲得初始有效應(yīng)力場;③在設(shè)置了一定的有效應(yīng)力情況下,將砂柱中的砂土設(shè)置成真實的摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型,相應(yīng)的材料參數(shù)也設(shè)置成真實的彈塑性材料參數(shù),采用‘SOLVE ELASTIC’命令使FLAC3D軟件自動進(jìn)行先將材料關(guān)鍵彈塑性參數(shù)設(shè)置成較大值求解至平衡態(tài),再采用真實的彈塑性材料參數(shù)求解至平衡態(tài)的過程。

        2 模型構(gòu)建

        如圖1所示的試驗?zāi)P?,實際試驗中,聚四氟乙烯管內(nèi)直徑10cm,壁厚1cm,沿側(cè)壁等間距布置測壓計對試驗過程中的孔隙水壓力變化進(jìn)行監(jiān)測,而進(jìn)行數(shù)值模擬試驗時,主要是通過沿側(cè)壁不同高程處設(shè)置監(jiān)測點,通過獲取監(jiān)測點的孔隙水壓力大小獲得各處的基質(zhì)吸力變化,聚四氟乙烯管內(nèi)高102cm,砂柱填筑高度為100cm,高出的2cm主要是為了在通水后,使砂柱上方始終有2cm深的水,以使其盡快達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)。試驗準(zhǔn)備時,管中主要填筑的是Del Monte砂土,每層填筑10cm,分層填筑,每層填筑控制壓實度,填筑完成后,靜置24h,使管中的砂土在自重作用下充分變形,以避免后續(xù)試驗過程中,由于砂土自重對試驗結(jié)果帶來一定程度的影響。靜置后,通過在管上方通穩(wěn)定水流,而管上方與大氣接觸,但始終保持有水的狀態(tài)(高出的2cm的作用),直到水流在自重作用下沿砂柱穩(wěn)定滲出形成穩(wěn)定滲流后,不再對砂柱上方進(jìn)行水源供應(yīng),使柱中水在自重作用下不斷滲出,通過讀取側(cè)面不同高程處的孔壓計獲得各高程處的孔隙水壓力值。

        兼顧計算精度和計算時間,作者采用均值為0.1m邊長的三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行剖分。

        圖1 Liakopoulos砂柱試驗設(shè)置

        3 計算結(jié)果

        以下分別分析比較在設(shè)置與不設(shè)置初始有效應(yīng)力條件下,彈性模型、彈塑性模型變關(guān)鍵參數(shù)兩種方式生成初始有效應(yīng)力場結(jié)果。

        3.1 彈性模型求解結(jié)果對比

        在不對有效應(yīng)力給予初始值時,對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖2中(a)所示。由圖可知,在不對有效應(yīng)力給予初始值時,采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場,計算共循環(huán)進(jìn)行8195步。當(dāng)對有效應(yīng)力給予初始值時,對材料賦予彈性模型生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖2中(b)所示。由圖可知,在對有效應(yīng)力給予初始值時,采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場,計算共循環(huán)進(jìn)行143步,幾乎沒有進(jìn)行計算,模型就達(dá)到了平衡狀態(tài)。可見,設(shè)置或不設(shè)置初始有效應(yīng)力,采用彈性模型求解都能夠得到正確的初始有效應(yīng)力場,區(qū)別在于設(shè)置了初始有效應(yīng)力,將有效縮減模型循環(huán)次數(shù),縮短計算時間,提高初始平衡效率。

        3.2 彈塑性模型變參數(shù)求解結(jié)果對比

        在不對有效應(yīng)力給予初始值時,對材料賦予彈塑性模型,第一步進(jìn)行彈塑性求解時,將模型彈塑性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值,以近似彈性求解,第二步更改材料關(guān)鍵參數(shù)的值,進(jìn)行彈塑性求解,生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖3中(a)所示。由圖可知,在不對有效應(yīng)力給予初始值時,采用這種方法能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場,計算共循環(huán)進(jìn)行8198步。當(dāng)對有效應(yīng)力給予初始值時,對材料賦予彈塑性模型,第一步進(jìn)行彈塑性求解時,將模型彈塑性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成較大值,以近似彈性求解,第二步更改材料關(guān)鍵參數(shù)的值,進(jìn)行彈塑性求解,生成的最終初始有效應(yīng)力場如圖3中(b)所示。由圖可知,在對有效應(yīng)力給予初始值時,采用這種方法同樣能夠獲得正確的初始有效應(yīng)力場,計算共循環(huán)進(jìn)行144步,幾乎沒有進(jìn)行計算,模型就達(dá)到了平衡狀態(tài)。可見,設(shè)置或不設(shè)置初始有效應(yīng)力,采用彈塑性模型變關(guān)鍵材料參數(shù)求解都能夠得到正確的初始有效應(yīng)力場,區(qū)別在于設(shè)置了初始有效應(yīng)力,將有效縮減模型循環(huán)次數(shù),縮短計算時間,提高初始平衡效率。

        (a)不設(shè)置初始有效應(yīng)力時求解結(jié)果 (b)設(shè)置初始有效應(yīng)力時求解結(jié)果

        (a)不設(shè)置初始有效應(yīng)力時求解結(jié)果

        (b)設(shè)置初始有效應(yīng)力時求解結(jié)果

        4 結(jié) 論

        在設(shè)置和不設(shè)置初始有效應(yīng)力時,通過對比兩種生成初始有效應(yīng)力場的方式,得出結(jié)論:

        1)在設(shè)置和不設(shè)置初始有效應(yīng)力時,彈性模型、彈塑性模型變關(guān)鍵參數(shù)兩種方式均可以獲得與真實情況相符的正確初始有效應(yīng)力場。

        2)相比不設(shè)置初始有效應(yīng)力時,設(shè)置初始有效應(yīng)力時的計算效率顯著提高。

        3)建議采用不設(shè)置初始有效應(yīng)力、彈性或彈塑性變關(guān)鍵參數(shù)的方式生成初始有效應(yīng)力場。

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